DE2647758B2

DE2647758B2 - Kühlungsmodul für elektrische Bauteile

Info

Publication number: DE2647758B2
Application number: DE2647758A
Authority: DE
Inventors: Richard Chao-San Chu; Omkarnath Ramnath Gupta; Un-Pah Hwang; Robert Edward Simons
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-10-22
Publication date: 1978-11-30
Also published as: US3993123A; GB1521159A; FR2330148A1; DE2647758C3; FR2330148B1; DE2647758A1; JPS6019663B2; JPS5253547A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Kühlungsmodul zur Wärmeableitung aus wenigstens einem auf einer Oberflächenseite einer Trägerplatte angeordneten Bauteil hoher Verlustleistungsdichte, das in den mit einem Kühlmittel gefüllten Hohlraum eines kappenför-

migen Modulgehäuse aus gut wärmeleitendem Material einragt und dessen Trägerplatte mit dem Rand des Modulgehäuses gasdicht verbindbar ist, das an seiner Außenseite mit Kühlrippen oder einer anderen die Wärme abführenden Einrichtung versehen ist

Der Zweck der Erfindung ist eine Weiterentwicklung und Verbesserung derartiger Kühleinrichtungen, um eine intensivere Kühlung, d. h. eine größere Wärmeableitung aus den zu kühlenden elektronischen bzw. elektrischen Bauteilen zu bekommen, um damit letztlich die Betriebssicherheit und die Arbeitsgeschwindigkeit von Schaltungsanordnungen zu erhöhen.

Das erfindungsgemäße Kühlungsmodul für elektrische Bauteile wurde vorwiegend zur Kühlung von in integrierter Mikrotechnik gefertigten und auf einer Keramikscheibe angeordneten Schaltungsplättchen aus Halbleitermaterial, den sog. Chips, geschaffen. Jedoch ist das neue Kühlungsmodul vorteilhaft auch zur Kühlung anderer elektrischer oder elektronischer Bauteile mit hoher Eigenwärmung verwenobar, beispielsweise zur Wärmeableitung von Transistoren in einer Schaltungsanordnung, die sich auf einer Schaltungskarte als Trägerplatte befindet. Unter der Bezeichnung »zu kühlendes elektrisches Bauteil« sind somit Halbleiter-Schaltungsplättchen, Transistoren oder ähnliche Bauelemente hoher Verlustleistung zu verstehen.

Bei den neuzeitlichen Schaltungsanordnungen, welche in sehr großer Stückzahl in Datenverarbeitungsanlagen, Steuerungsgeräten und Geräten der Nachrichtentechnik Verwendung finden, sind die Schaltkreise und elektronischen Bauteile in integrierter und miniaturisierter Technik in kleinen Halbleiter-Schaltungsblättchen den sog. Chips enthalten. Diese kompakten Schaltungsanordnungen haben den Vorzug, das sie außer der rationellen automatischen Fertigung, der sehr schnellen Arbeitsgeschwindigkeit, den kleinen Schaltpegeln und dem relati« geringen Leistungsbedarf in bezug zu den bekannten älteren Schaltungsanordnungen nur ein sehr kleines Raumvolumen beanspruchen. Durch die sehr große Packungsdichte der integrierten Bauteile und Schaltkreise in den winzigen Schaltungsplättchen aus Halbleitermaterial und weiter bedingt durch die große Schalthäufigkeit entsteht trotz des relativ geringen Bedarfs an elektrischer Energie eines solchen Schaltungsplättchens in diesem eine große Eigenerwärmung, weil die Verlustleistung in einem sehr kleinen Raumvolumen erzeugt wird. Da für die Schaltungsplättchen aus Halbleitermaterial nur eine bestimmte Betriebstemperatur zulässig ist, um eine sichere Funktion auf Dauer zu gewährleisten, sind Kühlungsmaßnahmen zur Ableitung der Wärme erforderlich. Zum Schutz dieser auf einem Keramikplättchen angeordneten meistens sehr dünnen und empfindlichen Schaltungsplättchen aus Halbleitermaterial trägt die Keramikplatte ein kappenförmiges metallisches Modulgehäuse, in dessen Hohlraum die Schaltungsplättchen ragen. Ein derartig kompilierter St haltungsbatistein ist unter der Bezeichnung Modul bekannt. Zur Kühlung der Schaltungsplättchen bzw. des Moduls und auch von Transistoren oder anderen ahnlichen Bauteilen sind eine große Anzahl von verschiedenen Kühleinrichtungen und Kühlungssystemen bekannt, bei denen die Wärmeableitung durch Konvektion, Strahlung, Leitung oder durch eine Zwangsableitung mittels eines strömenden Kühlmittels erfolgt.

In Schaltschränken oder Gestellen, die eine große Anzahl von Schaltungskanien enthalten, welche mit Moduls bestückt sind, ist eine Kühlung durch strömende Luft unter Verwendung von Gebläsen oder Lüftern üblich, wie dies beispielsweise in den Offenlegungsschriften 25 37 295 und 22 47 296 beschrieben ist. Bei

-, einer derartigen Kühleinrichtung bestehen die Nachteile, daß die Kühlung an der Eintrittsstelle der kalten Kühlluft besser ist aJs an der Austrittssielle der erwärmten Kühlluft; außerdem enstehen durch die strömende Kühlluft unerwünschte Geräusche, und es

ίο sind auch Maßnahmen zur Verhinderung einer Verschmutzung der Schaltungskarten erforderlich. Eine Anordnung zur Luftkühlung von Elektronikbaugruppen ist beispielsweise auch in den Offenlegungsschriften 24 31138 und 23 40 502 beschrieben. Eine andere Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte, die Mikrobausteine enthalten, welche von einem Kühlmittel durchströmt werden, ist Gegenstand der Offenlegungsschrift 23 45 626. Durch die Offenlegungsschrift 17 66 893 wurde eine Vorrichtung zur Wärmeableitung mittels gut leitender Kühlkörper von elektrischen Bauelementen mit hoher Eigenerwärmung bekannt. Gemäß der Offenlegungsschrift 22 00 683 erfolgt die Wärmeableitung bei einer Baugruppe mit miniaturisierten Schaltkreisen dadurch, daß das aus gut wärmeleiten-

_>-, dem Material bestehende Modulgehäuse die Baugruppe vollständig umgibt und an dessen Kontur angepaßt ist. Eine Einrichtung zur indirekten Flüssigkeitskühlung von Baugruppen mit hoher Verlustleistungsdichte wurde duch die Offenlegungsschrift 20 47 928 bekannt. Bei

in dieser Kühleinrichtung ist eine als Modulgehäuse bezeichenbare mit Kühlrippen und von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Kühlplatte vorgesehen, die auf aus der Schaltungskarte vorstehende, schienenförmige Leisten aufsteckbar ist. Zwischen diesen Leisten sind

!■-, vertieft die Schaltungsplättchen angeordnet.

Da die vorgenannten bekannten Kühleinrichtungen bei vertretbarem Aufwand und Volumen nicht die gewünschte intensive Kühlwirkung bringen, wurden andere Küiileinrichtungen für die Schaltungsplättchen

4(i bzw. Moduls oder Schaltungsanordnungen mit Transistoren geschaffen, bei denen die zu kühlenden Bauteile, z. B. Schaltungsplättchen, Moduls oder Transistoren, in den Hohlraum eines Tanks oder größeren Modulgehäuses einragen, der wenigstens zum Teil mit einer niedrig

π siedenden inerten Flüssigkeit, beispielsweise Fluorkohlenstoff, gefüllt ist. Die Siedetemperatur dieser Flüssigkeit liegt im Bereich der zulässigen Oberflächentemperatur der zu kühlenden Bauteile. An der Grenzfläche der zu kühlenden Bauteile bilden sich in Abhängigkeit von

-,κ deren Erwärmung Dampfbläschen, die in der Siedeflüssigkeit aufsteigen und an in die Siedefliissigkeit einragenden Kühlrippen kondensieren, oder die in eine zweite überlagerte Flüssigkeitsschicht eindringen und in dieser kondensieren, wobei sie ihre Wärme an die

-,-> Umgebung abgeben. Derartige Kühlsysteme mit einer Siedeflüssigkeit zur Wärmeableitung aus elektrischen Bauteilen sind beispielsweise in den deutschen Offenlegungsschriften 19 15 125, 20 56 699 und 22 Π 597 beschrieben. Bei diesen Kühlsystemen, die wenigstens

,ο eine Siedeflüssigkeit enthalten, bestehen verschiedene Nachteile, beispielsweise, daß die Siedeflüssigkeit extrem rein sein muß und nicht verschmutzen darf, um über eire lange Betriebsdauer die gleiche Kühliingswirkung zu erhalten. Hine Anpassung an die jeweiligen

,, Betriebszustand*: ist schwierig. Außerdem ist ein Austausch von Schaltungsbauteilen durch das Entleeren und Nachfüllen der Siedeflüssigkeit umständliih, insbesondere wenn mehrere verschiedene Flüssißkeitsschich-

ten übereinander liegen. Bei kleineren zu kühlenden Objekten, beispielsweise in der Größe einer Schaltungskarte oder eines Moduls, das eine Anzahl von Schaltungsplättchen enthält, ist die Verwendung von Siedeflüssigkeit infolge von großen Streuungseffekten nicht voll befriedigend.

Ils ist die Aufgabe der Erfindung ein sehr effektives Kühlungsmodul zur Wärmeableitung von einem oder mehreren elektronischen Bauteilen hoher Verlustleistungsdichte zu schaffen, das ein kappenförmiges Modulgehäuse aufweist, in das die zu kühlenden Bauteile einragen und gegen Berührung und Beschädigung geschützt sind. Dieses Kühlungsmodul soll in seinem Gehäuse für jedes zu kühlende Bauteil eine mechanische Wärmclcitcinrichtung aufweisen, die die Wärme aufnimmt, einen geringen Wärmewiderstand hat und die die Wärme an die Außenfläche des Modulgchäuscs leitet. Das neue Kühlungsmodul soll so ausgelegt sein, daß ein Austausch der elektrischen Bauteile relativ einfach ist, daß nur ein minimales Raumvolumen für das Modulgehäuse erforderlich ist und daß die Nachteile der bekannten Kühleinrichtungen überwunden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für jedes zu kühlende Bauteil im Hohlraum des Modulgehäuses ein stiftförmiges elastisches Leitelement aus gut wärmeleitfähigem Material vorgesehen ist, dessen vorderes Ende unter der Einwirkung einer geringen Druckkraft die Oberfläche des zu kühlenden Bauteiles großflächig berührt, und daß der restliche Kohlraum mit einem gut wärmeleitenden inerten Gas gefüllt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlungsmodul, welches ein etwa schalen- oder kappenförmiges Modulgehäuse aus gut wärmeleitendem Material hat, ist die offene Gehäuseseite und der Hohlraum durch eine auf bequeme Weise austauschbare Trägerplatte gasdicht verschlossen. Diese meistens aus Isoliermaterial, vorzugsweise aus Keramik, bestehende Trägerplatte ist auf der zum Hohlraum gerichteten Seite mit wenigstens einem zu kühlenden elektrischen oder elektronischen Bauteil bestückt, welches beispielsweise ein Schaltungsplättchen aus Halbleitermaterial sein kann. Eine solche Trägerplatte kann ein Schaltungsplättchen oder eine größere Anzahl davon enthalten, von denen jedes die gleiche oder eine andere Verlustleistung haben kann jedem der zu kühlenden Schaltungsplättchen, die meistens eine rechteckförmige, ebene Oberfläche aufweisen, ist gegenüberliegend im Modulgehäuse ein in einem Sackloch in axialer Richtung verschiebbares Leitelement, bestehend aus gut wärmeleitendem Material, zugeordnet, dessen Querschnittsfläche mindestens der Oberfläche des zu kühlenden Schaltungsplättchens entspricht. Um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Schaltungsplättchen und dem Leitelement zu erhalten, ist im Grund des Sackloches ein Federglied angeordnet, das das vordere Ende des Leitelementes gegen die Oberfläche des Schaltplättchens drückt. Die vom Leitelement aufgenommene Wärme fließt über den Spalt im Sackloch als radialer Wärmestrom in die dicke Rückwand des Modulgehäuses, welches als Kühlplatte gestaltet ist. Diese Kühlplatte kann an ihrer Außenseite mit Kühlrippen oder einer anderen die Wanne, beispielsweise durch eine Flüssigkeit abführenden Kühleinrichtung versehen sein.

Damit der Wärmewiderstand an der Berührungsfläche zwischen dem Leitelement und dem Schaltungsplättchen sowie im Spalt zwischen dem Leitelement und

der Kühlplatte des Modulgchäuses möglichst klein bleibt und auch außerdem eine gute Wärmeleitung direkt vom Schaltungsplättchen zum Modulgehäuse erfolgt, ist der Hohlraum im Kühlungsmodul mit einem gut wärmeleitenden inerten Gas, vorzugsweise Helium, gefüllt, das einen geringen Überdruck zur umgebenden Raumatmosphäre aufweist.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlungsmoduls besteht darin, daß das sich im Modulgehäuse abstützende Federglied so ausgelegt ist, daß es bei steigender Temperatur im Hohlraum des Modulgehäuscs das Leitclcment kräftiger gegen das zu kühlende Schaltungsplättchen drückt, wodurch sich der Wärmewiderstand an dieser Übergangsfläche verringert. Durch diese /usäiziiche Einrichtung ergibt sich innerhalb eines festgelegten Bereiches ein vorteilhafter Regelungseffekt zur Konstanthaltung der Temperatur in dem zu kühlenden Schaltungsplättchen. Andere sehr zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kühlungsmoduls sind aus den Patentunteransprüchen zu ersehen.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Kühlungsmodul an einigen Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Von den Zeichnungen stellen dar

F i g. 1 die Seitenansicht vom Längsschnitt durch ein Modul, bei dem eine mit äußeren Kontaktstiften versehene Trägerplatte, die eine Anzahl von zu kühlenden Schaltungsplättchen trägt, gasdicht mit dem kappenförmigen Modulgehäuse verbunden ist, dessen Bodenplatte auf der Außenseite mit einer Kühleinrichtung bestückt ist, welche ein Kühlmittel durchströmt;

F i g. 2 zeigt ebenfalls wie die F i g. 1 eine Seitenansicht vom Längsschnitt durch ein Modul, jedoch ist die Bodenplatte des Modulgehäuses auf ihrer Außenseite mit Kühlrippen versehen, welche in einen Luftstrom ragen, der die Wärme abführt;

F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Modulgehäuse der F i g. 1 in Blickrichtung der Pfeile und Grenzlinien 3;

F i g. 4 zeigt stark vergrößert in perspektiver Darstellung einen Ausschnitt des Modulgehäuses mit Einzelheiten. In die relativ dicke Bodenplatte des Modulgehäuses, welches zwei Sacklöcher enthält, die eine Nut miteinander verbindet, sind zwei kolbenförmige Leitelemente eingesetzt, die mit ihrem einen Ende auf einem als Federglied dienenden Schlauch aufliegen, der im Grund der Nut und der Sacklöcher eingebettet ist;

F i g. 5 zeigt die Ansicht eines Ausschnittes der als Kühlplatte dienenden dicken Bodenplatte vom Modulgehäuse nach F i g. 1 in einer durch die beiden Pfeile 5 angegebenen Blickrichtung. Aus dem Ausschnitt ist zu ersehen, daß der als Druck-Federglied dienende Schlauch am Grund der Bodenplatte und in der Nut schlangenförmig angeordnet ist und dabei die spaltenförmig übereinanderliegenden Sacklöcher miteinander verbindet;

Fig.6 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel die Ansicht eines Längsschnittes von einem Kühlungsmodul für nur ein zu kühlendes Schaltungsplättchen, das in den gasgefüllten Hohlraum des Modulgehäuses einragt und dessen Wärme von einem Leitelement zur Bodenplatte des Gehäuses übertragen wird;

Fig.7 zeigt die Ansicht eines Ausschnittes vom Modulgehäuse der F i g. 6 in Richtung der Pfeile 7 von der Bodenplatte zu dem einzelnen etwa linsenförmigen Druck-Federglied;

F i g. 8 zeigt in Form eines Ausschnittes und in starker

Vergrößerung die seitliche Ansicht eines Längsschnittes durch ein Modul mit einem Modulgehäuse, in dessen dicke Bodenplatte, welche als Kühlplatte dient, drei Wärme-Leitelemente in Sacklöcher eingesetzt sind. Als Federglieder sind im Grund der Sacklöcher schraubenförmige Druckfedern vorgesehen;

Fig.9 zeigt ein Diagramm bei dem in mehreren Kurven in Abhängigkeit von der Länge des Wärme-Leitelementes, des Wärmewiderstandes, des Wärmepfades von Schaltungsplättchen bis zum Kühlmittel angegeben ist, das die Kühleinrichtung an der Außenseite des Modulgehäuses durchströmt. Das Material aus dem die Wärme-Leitelemente bestehen, dient als Parameter für die Kurven in diesem Schaubild.

Die Kühlung eines Schaltungsplättchens 10 aus Halbleitermaterial, das Bestandteil eines gekapselten mit inertem Gas gefüllten Moduls ist, wird folgend in einem ersten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die F i g. 1 ausführlicher beschrieben, welche die Seitenansicht von einem vertikalen Längsschnitt eines Kühlungsmoduls darstellt. Es ist dem Fachmann bekannt, daß in solch einem als Chip bezeichneten Schaltungsplättchen aus Halbleitermaterial in integrierter Technik und Miniaturbauweise eine große Anzahl von Schaltkreisen und Schaltelementen enthalten sind. Durch diese große Packungsdichte bildet sich in den Schaltungsplättchen eine große Wärmekonzentration bzw. Verlustleistungsdichte, und es sind Maßnahmen erforderlich, die Wärme abzuleiten, damit die zulässige Temperatur für ein solches Schaltungsplättclien nicht überschritten wird. Um mit diesen Schaltungsplättchen auf die Dauer eine sichere Betriebsfunktion zu erhalten, ist es erforderlich, daß diese während ihrer Be.riebszeit nur einem vorbestimmten Temperaturbereich ausgesetzt sind.

Die zu kühlenden Schaltungsplättchen 10 eines Moduls sind auf der einen Seite einer Trägerplatte 12 befestigt, welche meistens aus Keramik besteht. Diese Trägerplatte 12 ist auf der anderen Seite mit eingesetzten Kontaktstiften 14 versehen, die als Anschlüsse für ein Schaltungsplättchen 10 dienen. Mittels dieser rasterförmig angeordneten Kontaktstifte 14 ist ein Modul auf eine nicht dargestellte Schaltungskarte steckbar, die außer mit den Moduls auch noch mit anderen Schaltungsanordnungen oder Bauteilen bestückt sein kann.

Ein Kühlungsmodul enthält außer dem zu kühlenden Schaltungsplättchen 10 und der Trägerplatte 12, welche zusammen eine Einheit bilden, noch ein kappenförmiges Modulgehäuse 16, das aus einer Bodenplatte und angeformten Seitenteilen 18 gebildet ist Die Bodenplatte und die Seitenteile 18 des Modulgehäuses 16 sind so geformt, daß sich in ihm ein Hohlraum bildet in den die zu kühlenden Schaltungsplättchen einragen, wenn die Trägerplatte 12 mit den Rändern der Seitenteile 18 vom Modulgehäuse verbunden ist Das Modulgehäuse 16 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Die ebene Bodenplatte hat im Vergleich zu den Seitenwänden 18 eine relativ große Wanddicke, und sie ist an den Stellen die den Schaltungsplättchen 10 gegenüberliegen mit Sacklöchern 20 versehen, welche durch kanalförmige Nuten 22 in der Bodenplatte zeilen- oder spaltenweise miteinander verbunden sind. Das Modulgehäuse 16 kann anstelle einer dicken Bodenplatte eine dünneren Bodenplatte aufweisen, die jedoch auf ihrer Innenseite als Vorspränge Naben 66 enthält, die zu den zu kühlenden Schaltungsplättchen 10 ausgerichtet sind und die jeweils ein Sackloch aufweisen, dessen Längsachse mit der Mittelachse des Schaltungsplättchens 64 übereinstimmt. Ein derartig gestaltetes Modulgehäuse 62 ist aus der F i g. 6 zu ersehen.

Wie aus den F i g. 1 bis 5 ersichtlich ist, sind die Sacklöcher 20 in der Bodenplatte des Modulgehäuses 16 durch eine offene kanalförmige Nut 22 zeilen- oder spaltenweise miteinander verbunden. Dabei ist der Verlauf der Nut 22 schlangenförmig wie dies die F i g. 5

κι zeigt, und die Tiefe der Nut 22 erstreckt sich bis zum Grund der Sacklöcher 20. In diese Nut 22 ist ein elastischer Schlauch 24 eingebettet, der auch am Grund der Sacklöcher 20 aufliegt, und als Federglied zur Erzeugung einer Druckkraft dient. Nach dem Einsetzen des Schlauchs 24 in die Nut 22 und in die Sacklöcher 20 werden in letztere die Wärme-Leitelemente 26 eingesetzt, die dann mit ihrem einen Ende auf dem Schlauch 24 aufliegen, wie dies aus der F i g. 4 ersichtlich ist. Der elastische Schlauch 24 ist mit einem expansiven, binären Flüssigkeitsgemisch, beispielsweise Fluorkohlenstoff gefüllt, das sich bei einer Erwärmung kräftig ausdehnt und beispielsweise vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen kann. Die Ausdehnung des Flüssigkeitsgemisches ist steuerbar und von seiner Stoffzusammensetzung, dem Mischungsverhältnis und der einwirkenden Temperatur abhängig. Bei einem Temperaturanstieg erweitert sich durch die Ausdehnung des Flüssigkeitsgemisches im Schlauch 24 dessen Durchmesser, besonders in den Sacklöchern 20 als Funktion der Temperaturerhöhung. Jedes Sackloch 20 im Modulgehäuse 16 hat eine etwas größere Querschnittsfläche als die plane Oberfläche des zu kühlenden Schaltungsplättchen 10. In jedes Sackloch 20 ist in axialer Richtung verschiebbares Wärme-Leitelement 26 eingesetzt, das aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, besteht. Bei einem kompletierten Kühlungsmodul liegt das eine Ende von jedem Leitelement 26 auf dem Federglied 24 auf, und das andere Ende berührt großflächig die Oberseite des zu kühlenden Schaltungsplättchens 10, wobei sich an dieser Übergangsstelle eine Grenzfläche 28 bildet Aus den F i g. 3 und 4 ist ersichtlich, daß die Wärme-Leitelemente 26 so gestaltet sind, daß sich am Umfang jedes Wärme-Leitelementes 26 und der Wand im Sackloch 20 des Modulgehäuses 16 ein ringförmiger Spalt 30 ergibt der ein seitliches Spiel des Leitelementes 26 ermöglicht und damit eine gute Anpassung seiner Endfläche an die Oberseite des zu kühlenden Schaltungsplättchens 10 erlaubt. Die Querschnittsfläche des Wärme-Leitelementes 26 ist im Endbereich so gewählt, daß sie wenigstens die Oberseite des zu kühlenden Schaltungsplättchens 10 überdeckt, um einen möglichst großflächigen Wärmeübergang an dieser Grenzfläche 28 zu bekommen. Die axiale Länge der Wärme-Leitele mente 26 ist an die axiale Höhe der Schaltungsplättchen 10 angepaßt damit sich bei der richtigen Betriebstemperatur an der Grenzfläche 28 der gewünschte zulässige Berührungsdruck zwischen dem Leitelement 26 und dem Schaltungsplättchen 10 einstellt und außerdem ein

t>o gewisser Federungsbereich besteht

Der Hohlraum des kompletierten Kühlungsmoduls, welcher zwischen der Trägerplatte 12 und dem Modulgehäuse 16 besteht, ist durch ein inertes Gas 32, vorzugsweise Helium, ausgefüllt, das, wie aus den F i g. 1

h5 und 2 ersichtlich ist, durch eine öffnung 34 oben im Modulgehäuse 16 einfüllbar ist Diese Einfüllöffnung 34 ist durch eine Schraube gasdicht verschließbar. Das Gas 32 — Helium — wird als Kühlmittel bei diesem

Kühlungsmodul aus folgenden Gründen verwendet: Helium hat ein niederes Molekulargewicht, dadurch füllt es die Lücken und Poren in der Grenzschicht 28 der Berührungsflächen zwischen den Wärme-Leitelementen 26 und den Oberseiten der Schaltungsplättchen 10 aus. Desgleichen werden durch das Heliumgas 32 die Spalte 30 zwischen den Wärme-Leitelementen 26 und der Bodenplatte ausgefüllt, die ebenfalls jeweils eine Übergangsfläche für den abzuleitenden Wärmestrom bilden. Das Gas 32 — Helium — hat außerdem die günstige Eigenschaft, daß es ein guter Wärmeleiter ist. Die gasförmigen Zwischenschichten in den Grenzflächen 28 an den Schaltungsplättchen 10 und die ringförmige Spalte 30 an den Wärme-Leitelementen 26 sind somit gute Wärmeleitschichten, d. h., sie weisen nur einen geringen Wärmewiderstand auf. Heliumgas 32 hat außerdem noch die sehr wichtige Eigenschaft, daß es inert ist, dies besagt, Helium ist elektrisch nichtleitend, es ist nicht giftig, verursacht keine Korrosion, es ist nicht brennbar und es explodiert nicht. Helium hat eine weitere günstige Eigenschaft, indem es an Umgebungsflächen gut haftet bzw. diese benetzt, wodurch eine gute Kontaktverbindung zwischen Gas und Material gegeben ist.

Als Gas 32, das ein niedriges Molekulargewicht aufweist, sind anstelle von Helium auch Wasserstoff oder Kohlendioxid verwendbar. Jedoch sind diese beiden vorgenannten Gase nicht so vorteilhaft wie Helium, da sie einige unerwünschte Eigenschaften aufweisen, beispielsweise ist es bekannt, das Wasserstoff sehr explosiv ist.

Aus der Fig.3 ist es ersichtlich, daß die in die Sacklöcher 20 eingesetzten axial verschiebbaren Wärme-Leitelemente 26 auf einander gegenüberliegenden Seiten mit angeformten Leisten 36 versehen sind, die JS sich in axialer Richtung am Mantel der Leitelemente 26 erstrecken. Diese Leisten 36 dienen zur Vergrößerung der Oberfläche eines Wärme-Leitelementes 26, um für den abzuleitenden Wärmestrom einen größeren Leitungsquerschnitt und damit einen kleineren Wärme- «o widerstand zu erhalten. Diese seitlich angeordneten Leisten 36 ragen in die Kanäle der Nut 22, und sie dienen deshalb auch als Führungsglieder für die Wärme-Leitelemente 26 in den Sacklöchern 20.

Die Wärmeübergangsstelle an der Grenzfläche 28 ⁴"> zwischen dem Schaltungsplättchen 10 und dem Wärrns-Leitelement 26 ist in ihrem Wärmeleitwert auch von dem Berührungsdruck abhängig, den das vordere Ende des Wärme-Leitelementes 26 ausübt Diese in axialer Richtung wirkende Druckkraft wird von dem als w Federglied dienenden Schlauch 24 erzeugt, der sich am entgegengesetzten Ende des Wärme-Leitelementes 26 befindet und sich auf der Bodenplatte vom Modulgehäuse abstützt In den Fig. 1, 2, 6 und 8 ist die Wärmeübergangsstelle an der Grenzfläche 28 lediglich « zur Illustration als ein kleiner Spalt dargestellt, der durch das Gas 32 ausgefüllt ist, das wie bereits erwähnt wurde, in die Poren und Lücken eindringt und infolge seiner guten Wärmeleitfähigkeit Unebenheiten an der Grenzfläche 28 ausgleicht, so daß an einer solchen «> Wärmeübergangsstelle eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besteht Oder in anderen Worten ausgedrückt, die Grenzfläche 28 weist einen sehr niedrigen Wärmeübergangswiderstand auf.

Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, ^hl daß im Wärmeableitpfad eine zweite Wärmeübergangsstelle besteht die durch den Spalt 30 zwischen dem Wärme-Leitelement 26, den damit verbundenen Leisten 36 und den Wänden im Sackloch 20 und der Nut 22 des Modulgehäuseses 16 gebildet wird. Weil dieser ein Wärme-Leitelement 26 umgebende Spalt 30 wesentlich größer ist als der durch die Unebenheiten in der Grenzfläche 28 verursachte Spalt, ist der Wärmeleitwiderstand im Spalt 30 größer, auch wenn dieser Spalt 30 mit Heliumgas 32 ausgefüllt ist. Zur Verminderung des relativ großen Wärmewiderstandes im Spalt 30 wird deshalb die Übergangsfläche im Spalt 30 entsprechend vergrößert, d. h., das Wärme-Leitelement 26 und die angeformten Leisten 36 erhalten eine größere Länge und außerdem eine größere Umfangsfläche, die so gewählt sind, daß sich der gewünschte niedrige Wärmeübergangswiderstand am Spalt 30 ergibt. Der Pfad und dessen gesamter Wärmewiderstand für den Wärmestrom, welcher aus dem zu kühlenden Schaltungsplättchen 10 abzuleiten ist, muß so ausgelegt sein, daß bei den verschiedenen Betriebsfällen mit unterschiedlicher Beanspruchung und bei schwankenden Umgebungstemperaturen das Schaltungsplättchen 10 keine unzulässige Übertemperatur bekommt und daß es nur mit einer zulässigen Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereiches beansprucht wird.

Der von einem Schaltungsplättchen 10 abgeleitete Wärmestrom gelangt über den gut wärmeleitenden Spalt 30 in die Bodenplatte des Modulgehäuses 16, welche als Kühlplatte gestaltet ist. Aus der F i g. 1 ist ersichtlich, daß auf der Außenseite dieser als Kühlplatte dienenden Bodenplatte eine andere plattenförmige Kühleinrichtung 38 in engem Berührungskontakt befestigt ist, so daß ein guter Wärmeübergang von der Bodenplatte zum Kühlmittel 40 gegeben ist, welches die Kühleinrichtung 38 durchströmt. Die Bodenplatte und die Kühleinrichtung 38 können so gestaltet sein, daß die Bodenplatte ein Bestandteil der Kühleinrichtung 38 ist. Die von den Schaltungsplättchen 10 abgeleitete Wärme, welche auf vorbestimmten Pfaden zur Außenseite des Modulgehäuses 16 transpertiert wird und von diesem in die Kühleinrichtung 38 gelangt, wird durch eine zirkulierende Kühlflüssigkeit 40 entfernt, welche Kanäle in der Kühleinrichtung 38 durchströmt.

Die von den zu kühlenden Schaltungsplättchen 10 auf die Bodenplatte 21 des Modulgehäuses 16 übertragene Wärme, welche als Kühlplatte gestaltet ist und die an ihrer Außenseite Kühlrippen 42 aufweist, wie aus der F i g. 2 zu ersehen ist, kann auch durch Konvektion oder duch einen schwachen, geräuschlosen Luftstrom entfernt werden. Der Luftstrom kann in diesem Fall schwach sein, weil die zu kühlende Oberfläche der Bodenplatte durch die Kühlrippen 42 sehr groß ist im Vergleich zu den sehr kleinen Oberflächen der Schaltjngsplättchen 10, die eine hohe Eigenerwärmung erzeugen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlungsmoduls für Schaltungsplättchen 46, das mit Gas gefüllt ist und das zylindrische Wärme-Leitelement 44 enthält ist aus der F i g. 8 zu ersehen. In dieser Darstellung ist der Pfad des Wärmestromes von einem Schaltungsplättchen 46 bis zur Kühlflüssigkeit 54 durch Pfeilsymbole angegeben. An den einzelnen Teilstrecken dieses Wärme-Leitungspfades der aus der Reihenschaltung der Grenzfläche 50, der Wegstrecke im Wärme-Leitelement 44, dem Spalt 52, dem Weg in der Bodenplatte 48 und dem Übergang zur Kühleinrichtung 58 besteht, sind die dort auftretenden Wärmewiderstände R durch die zugeordneten Symbole Ri bis Λ 6 bezeichnet Die in Schaltungsplättchen 46 erzeugte und abzuführende Wärme muß zunächst den Wärmewiderstand Al

überwinden, welcher an der Grenzfläche bzw. Berührungsfläche 50 zwischen dem Schaltungsplättchen 46 und dem Wärme-Leitelement 44 besteht. Das Wärme-Leitelement 44 dem der kleine Wärmewiderstand R 2 zugeordnet ist, besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. Kupfer. Der das Wärme-Leitelement 44 umgebende Spalt 52, welcher, wie bereits erwähnt wurde, wieder mit dem Gas Helium gefüllt ist, weist für den abzuleitenden Wärmestrom den zugeordneten Wärmewiderstand R 3 auf. Im Modulgehäuse 48, speziell in der als Kühlplatte gestalteten Bodenplatte, steht dem abzuleitenden Wärmestrom der relativ kleine Wärmewiderstand A4 entgegen. An der Grenz- bzw. Übergangsfläche von der Bodenplatte des Kühlmoduls 48 zur Kühleinrichtung 58 besteht für den Wärmestrom der Wärmewiderstand R 5. Für den abzuleitenden Wärmestrom, der sich jetzt bereits auf eine große Querschnittsfläche am Ende seines Wärmeleitpfades verteilt, ist noch der Wärmewiderstand R 6 zu überwinden, welcher zwischen der Kühleinrichtung 58 und der Kühlflüssigkeit 54 besteht. Der Wärmewiderstand R I₁ welcher an der Grenzfläche 50 bzw. der Berührungsfläche zwischen der Oberseite des Schaltungsplättchens 46 und dem Wärme-Leitelement 44 besteht, ist 5 mal kleiner, wenn der Hohlraum des Modulgehäuses 48 mit dem Gas Helium gefüllt ist statt mit Luft.

Die F i g. 4 zeigt stark vergrößert einen Ausschnitt aus dem Modulgehäuse 16, des ersten Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 und 2, wobei in der Bodenplatte des »0 Modulgehäuses 16 in zwei Sacklöcher 20 jeweils ein Wärme-Leitelement 26 eingesetzt ist. Aus der F i g. 4 ist zu ersehen, daß an die beiden Wärme-Leitelemente 26 seitlich zwei Leisten 36 angeformt sind, die sich in der kanalförmigen Nut 22 in der Bodenplatte befinden. J5 Ebenfalls ist aus dieser F i g. 4 ersichtlich, daß im Grund der Sacklöcher 20 und der Nut 22 der als Federglied 24 dienende Schlauch eingebettet ist und daß auf ihm die Wärme-Leitelemente 26 aufliegen.

Die F i g. 5 ist die Ansicht in Richtung der Pfeile 5 in ■»< > F i g. 1 eines Schnittes durch die Bodenplatte des Modulgehäuses 16 und zeigt die schlangenförmige Anordnung des als Druck-Federgliedes 24 dienenden Schlauchs, der in der entsprechend geformten Nut 22 eingebettet ist, und die Sacklöcher zeilen- oder « spaltenweise verbindet und auf dem die Wärme-Leitelemente 26 aufliegen. Der in seinem Durchmesser erweiterungsfähige Schlauch 24 hat die Aufgabe, die Wärme-Leitelemente 26 auf die zu kühlenden Schaltungsplättchen 10 zu drücken. Dieser Schlauch 24 ist, ^r>o wie bereits erwähnt wurde, mit einer binären Expansionsflüssigkeit, beispielsweise Fluorkohlenstoff, gefüllt, die bei einem Anstieg der Umgebungstemperatur sich ausdehnt, dadurch den Durchmesser des Schlauches 24 vergrößert, wodurch die Wärme-Leitelemente 26 mit ^r>5 einem stärkeren Berührungsdruck auf den Schaltungsplättchen 10 anliegen. Sobald die Wärme in den Schaltungsplättchen 10 ansteigt, wird diese Temperaturänderung durch das Gas Helium, die Wärme-Leitelemente 26 und durch die Bodenplatte auf den Schlauch 24 wi übertragen. Das Kühlungsmodul arbeitet somit durch diese Einrichtung mit einem Regelungseffekt bei dem der auf die Schaltungsplättchen 10 einwirkende Berührungsdruck von der Temperatur dieser Schaltungsplättchen 10 selbsttätig durch eine entsprechende μ Ausdehnung des Federyliedes 24 innerhalb gewisser Grenzen gesteuert wird. Diese Regelung ist jedoch nur bis zu einer maximalen Temperatur wirksam.

Es wird darauf hingewiesen, daß der Betrieb und die zuverlässige Funktion des erfindungsgemäßen Kühlungsmoduls unabhängig von seiner Lage ist. Ein derartiges Kühlungsmodul funktioniert bei niedriger Schwerkraft als auch im schwerelosen Zustand, beispielsweise in Raumfahrtobjekten, als auch bei einer kommerzialen Verwendung, beispielsweise in Datenverarbeitungsanlagen.

Ein drittes Ausfuhrungsbeispiel eines Kühlungsmoduls, das nur ein zu kühlendes Schaltungsplättchen 64 enthält, ist in den Fig.6 und 7 dargestellt. Das Schaltungsplättchen 64, welches eine große Verlustleistungsdichte aufweist, ist auf der einen Seite einer Trägerplatte 58 befestigt, auf deren anderen Seite die Kontaktstifte 60 als Anschlußelemente angeordnet sind, welche zur Herstellung einer Schaltungsverbindung in eine nicht dargestellte Schaltungskarte gesteckt werden. Das Modulgehäuse 62 ist wieder als gasdichte mit der Trägerplatte 58 verbundene Schutzkappe oder Behälter gestaltet, in dessen Hohlraum das zu kühlende Schaltungsplättchen 64 einragt. Die Bodenplatte des Modulgehäuses 62 ist in der Mitte mit einer in den Hohlraum ragenden Nabe 66 versehen, welche das Sackloch 68 enthält, das auf der zum Schaltungsplättchen 64 gerichteten Seite offen ist und dessen Längsachse zur Mitte des Schaltungsplättchens 64 ausgerichtet ist. Auf dem Grund des Sackloches 68 liegt als Druck-Federglied 70 ein etwa linsen- oder pillenförmiger elastischer Hohlkörper, auf dem das Wärme-Leitelement 72 aufliegt, welches, wie bereits erwähnt wurde, aus gut leitendem Material besteht und in seiner Form dem Wärme-Leitelementen 26 vom ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Dieses Wärme-Leitelement 72 wird durch das elastische Druck-Federglied 70 ebenfalls auf die Oberfläche des zu kühlenden Schaltungsplättchen 64 gedrückt, wodurch sich wieder eine Berührungsfläche 74 ergibt, deren Unebenheiten durch das Gas Helium ausgefüllt sind. Der restliche Hohlraum im Modulgehäuse 62 und der Spalt zwischen dem Sackloch 68 und dem Wärme-Leitelement 72 ist mit dem Gas Helium ausgefüllt. Dieses Gas 76 wird nach einer Luft-Evakuierung des Hohlraumes eingefüllt. Für die Gasfüllung wird ein schwacher Gas-Überdruck gewählt, um zu verhindern, daß bei einer eventuell vorhandenen kleinen Leckstelle Raumluft in den Hohlraum des Kühlungsmoduls gelangt. Dieser schwache Überdruck des Gases 77 — Helium — in dem Hohlraum kann aufrechterhalten werden, in dem man gleich bei der Montage des Kühlungsmoduls in dessen Hohlraum eine Kapsel einlegt, die eingepreßtes Helium enthält und die dieses Gas 77 in ganz kleinen Mengen an den Hohlraum abgibt. Es wird wiederholt, daß das Gas 77 — Helium — ein niedriges Molekulargewicht hat, und außerdem eine gute Haft- bzw. Benetzungsfähigkeit aufweist, wodurch sich eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit ergibt, da dieses Gas 77 in die Poren des Materials eindringt und Unebenheiten ausfüllt

Das Druck-Federglied 70, welches, wie die Fig.6 zeigt, aus einem etwa linsenförmigen, elastischen Hohlkörper besteht, der beispielsweise auch die Form einer bekannten Druckdose aufweisen kann, deren Volumen sich ebenfalls mit der Umgebungstemperatur ändert, ist wie der Schlauch 24 gleichfalls mit einer binären Expansionsflüssigkeit, beispielsweise Fluorkohlenstoff, gefüllt. Dieses Gemisch einer binären Expansionsflüssigkeit ändert bei einer vorbestimmten Temperatur seinen Zustand und es bewirkt in Abhängigkeit von seiner Temperatur eine Ausdehnune des Druck-

Federgliedes 70. Wenn sich im zu kühlenden Schaltungsplättchen 64 die Temperatur ei höht, beispielsweise durch eine größere Wärmeerzeugung, wirkt diese Temperaturänderung auch auf das Druck-Federglied 70 ein, dessen Expansionsflüssigkeit sich entsprechend ausdehnt, wodurch das Wärme-Leitelement 72 einen größeren Berührungsdruck auf die Oberfläche des Schaltungsplättchens 64 ausübt Durch diesen verstärkten Berührungsdruck ergibt sich zwischen dem Leitelement 72 und dem Schaltungsplättchen 64 ein innigerer Wärmeübergang und eine Verringerung des Wärmewiderstandes, was zur Folge hat, daß sich der Wärmeleitslrom infolge des geringeren Wärmewiderstandes im Wärmeableitpfad entsprechend erhöht. Somit ist auch bei diesem Kühlungsmodul ein Regelungseffekt zur Konstanthaltung der Temperatur im Schaltungsplättchen 64 gegeben, der gewährleistet, daß das Schaltungsplättchen 64 nur einer zulässigen Betriebstemperatur in einem vorgegebenen Bereich ausgesetzt ist. Die Größe, die Form und die Ausdehnungsrichtung des wärmeempfindlichen Druck-Federgliedes 70, welches auf das Wärme-Leitelement 72 einwirkt und dessen Verschiebungshub steuert, ist aus der durch die Pfeile 7-7 bezeichneten Schnittansicht der F i g. 6 zu ersehen.

Wenn die äußere glatte Oberfläche des kappenförmigen Modulgehäuses 62 in der Größe nicht ausreicht, um die vom Schaltungsplättchsn 64 erzeugte, von innen zugeführte Wärme, durch Konvektion und Strahlung zu zerstreuen, kann diese Außenseite auch mit Kühlrippen oder anderen Kühleinrichtungen versehen werden, die verhindern, daß sich im Kühlungsmodul ein Wärmestau bildet. Es ist noch zu erwähnen, daß das elastische Druck-Federglied 70 auch die Anpassung des Wärme-Leitelementes 72 an die Höhe des Schaltungsplättchens 64 ermöglicht, wodurch ein gewisser Toleranzausgleich von Fabrikationschwankungen gegeben ist. Außerdem erlaubt das elastische Druck-Federglied 70 in Verbindung mit dem gasgefüllten Spalt der das Wärme-Leitelement 72 am Umfang ergibt, daß sich die Berührungsfläche 74 am vorderen Ende des Wärme-Leitelementes 72 gut an die Oberf'äche des Schaltungsplättchens 64 anpaßt.

Die Fig.8, welche das zweite, bereits vorstehend kurz beschriebene Ausführungsbeispiel eines Kühlungsmoduls zeigt, enthält zur Druckkrafterzeugung und der dadurch verursachten axialen Verschiebung der Wärme-Leitelemente 44 entweder ein mechanisches oder ein pneumatisch wirkendes Druck-Federglied 76 in jedem Sackloch 52 des Modulgehäuses 48. AL Druck-Federglieder 76 sind im Kühlungsmodul der F i g. 8 jeweils schraubenförmige Druckfedern vorgesehen, die sich am Grund der Sacklöcher 52 abstützen und gegen die Wärme-Leitelemente 44 drücken. Diese schraubenförmigen mechanischen Federglieder 76 pressen die Wärme-Leitelemente 44 gegen die Oberflächen der zu kühlenden Schaltungsplättchen 46 mit einer konstanten Druckkraft, wobei sich ein relativ geringer Wärmewiderstand R 1 durch das in die Übergangsfläche 50 eingelagerte Gas — Helium — ergibt. Jedoch weist das Kühlungsmodul nach der Fig.8 nicht den vorstehend beschriebenen Regelungseffekt auf, der sich ergibt, wenn temperaturempfindliche Druck-Federglieder Verwendung finden. Anstelle einer Schraubenfeder 76 als Druck-Federglied kann der Raum zwischen der Grundfläche des Sackloches 52 und dem verschiebbaren Wärme-Leitelement 74 auch mit einem elastischen Werkstoff, beispielsweise Schaumgummi, ausgefüllt werden, der die Funktionen des Druck-Federgliedes 76 erfüllt Auch ein derartiger elastischer Werkstoff erzeugt den gewünschten Berührungsdruck zwischen dem Wärme-Leitelement 44 und dem zu kühlenden Schaltungsplättchen 46, jedoch ist in diesem Betriebsfall kein Regelungseffekt für die Temperatur gegeben. Wird als Druck-Federglied 76 ein pneumatisches Bauelement verwendet, so kann dieses so ausgelegt sein, daß es wärmeempfindlich ist und bei steigender Temperatur

ίο eine größere Ausdehnung und damit eine größere Druckkraft für das Wärme-Leitelement 44 erzeugt, wodurch sich wiederum der vorteilhafte Regelungseffekt zur Ableitung der überschüssigen Wärme ergibt
Das Diagramm Fig.9 zeigt an drei üCurven die

!5 Abhängigkeit des Wärmewiderstandes in °C/Watt vom gesamten Wärmepfad in Abhängigkeit von der Länge der Wärme-Leitelemente 44. Dabei ist unter der Bezeichnung Wärmepfad die Strecke des Wärmestromes zu verstehen, der vom zu kühlenden Schaltungs-

?(i plättchen 46 ausgeht und im Kühlwasser 54 der Kühleinrichtung 58 endet, wobei sich dieser Wärmeleitpfad aus den verschiedenen Wärmewiderstandsstrekken /? 1 bis /f 6 zusammensetzt. In diesem Diagramm sind als Parametc der drei Kurven die Werkstoffe gewählt, aus denen die Wärme-Leitelemente 44 und das Modulgehäuse 48 bestehen können. Der gesamte Wärmewiderstand für einen Wärmepfad, welcher ein Wärme-Leitelement 44 aus Aluminium enthält, ist als obere Kurve 79 dargestellt. Dieses Diagramm der

in F i g. 9 basiert auf Messungen und Berechnungen, die an den Mustern eines Kühlungsmoduls vorgenommen wurden, mit zu kühlenden quadratischen Schaltungsplättchen 46, deren Kantenlänge jeweil 10,8 mm betrug. Der Durchmesser für die Wärme-Leitelemente 44

r> betrug 12,90 mm und für die Sacklöcher wurde ein Durchmesser von 13,2 mm gewählt Die Dicke der Grenzschicht 50 am Übergang zwischen der Oberfläche eines Schaltungsplättchens 46 und dem vorderen Ende eines Wärme-Leitelementes 44 wurde auf etwa 0,013 mm gehalten. Die obere Kurve 78 im Schaubild ist einem Wärmeleitpfad zugeordnet, der ein Wärme-Leitelement 44 aus Aluminium enthält und bei dem das Modulgehäuse 48 ebenfalls aus Aluminium besteht. Der Verlauf dieser Kurve 78 zeigt, daß der gesamte Wärmewiderstand im Wärmeleitpfad vom Schaltungsplättchen 46 bis zum Kühlwasser 54 eine fallende Tendenz aufweist, d. h. je länger das Wärme-Leitelement 44 ist, um so kleiner wird der Wärmewiderstand. Hat das Wärme-Leitelement 44 aus Aluminium eine

« Länge von 5 mm, dann besteht im Wärme-Leitpfad ein Wärmewiderstand von etwa 18°C/Watt. Dieser Gesamtwärmewiderstand verringert sich auf etwa 15,6° C/ Watt, wenn die Länge des Wärme-Leitelementes 15 mm beträgt. Der Wert des Wärmewiderstandes steigt

Yi allmählich wieder an, wenn der günstigste Längenwert von 15 mm überschritten wird und beispielsweise 25 mm beträgt. Aus dem Verlauf der Kurve 78 ergibt sich demzufolge für ein zu kühlendes Schaltungsplättchen 46 mit gegebenen Abmessungen ein Wärme-Leitelement

h<> 44, das, wenn dieses aus Aluminium besteht, am zweckmäßigsten eine optimale Länge von 15 mm aufweist. An diese optimale Länge des Wärme-Leitelementes 44 ist die Dicke der Bodenplatte vom Modulgehäuse 48 und das Sackloch 52 in der

»< Bodenplatte anzupassen.

Die mittlere Kurve 80 im Diagramm der F i g. 9 wurde erhalten bei Verwendung eines Wärme-Leitelementes 44 aus Aluminium und eines Modulgehäuses 48, das aus

Kupfer bestand. Der beachtlich geringere Wärmewiderstand bei dieser Ausfühnmgsart des Wärmeleitpfades ist darauf zurückzuführen, daß Kupfer ein wesentlich besserer Wärmeleiter ist als Aluminium. Die untere Kurve 82 im Schaubild zeigt, daß sich ein wesentlich geringerer gesamter Wärmewiderstand im Pfad des Wärmcstromes ergibt, wenn sowohl das Modulgehäuse 48 als auch das Wärme-Leitelement 44 aus Kupfer bestehen. Bei dieser zuletzt beschriebenen Konstruktionsart ergibt sich der Kleinstwert des gesamten Wärmewiderstandes für den Pfad des Wärmestromes bei einer Länge des Wärme-Leitelementes 44 von etwa 223 mm, wie dies aus der unteren Kurve 82 der F i g. 9 zu ersehen ist

Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Gases Helium und dessen günstige Eigenschaften, daß es die Poren und Unebenheiten von Werkstoffen ausfüllt und an den Oberflächen dieser Werkstoffe diese benetzend gut haftet, schafft die Möglichkeit zur Erzeugung von Wärmeübergängen, die nur einen sehr kleinen Wännewiderstand aufweisen. Diese günstigen Eigenschaften des Gases Helium in Verbindung und Kombination mit mechanischen Wärme-Leitelementen, die auf die Oberfläche der zu kühlenden Bauteile durch Druck-Federglieder gedrückt werden, bilden einen gut leitenden Pfad zur Ableitung der Wärme insbesondere aus solchen elektrischen Bauteilen mit großer Verlustleistungsdichte bzw. großer interner Wärmeerzeugung auf kleinstem Raum, bei denen aus Gründen der Betriebssicherheit und der langen Lebensdauer die Forderung besteht, daß sie keiner Temperatur ausgesetzt werden, welche einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet Das Gas Helium ist — weil es inert ist — außerdem sehr vorteilhaft zur Kühlung der vorstehend beschriebenen Moduls und auch für andere elektrische Schaltungsanordnungen geeignet

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlungsmodul zur Wärmeableitung aus wenigstens einem auf einer Oberflächenseite einer Trägerplatte angeordneten elektrischen Bauteil ·, hoher Verlustleistungsdichte, das in den mit einem Kühlmittel gefüllten Hohlraum eines kappenförmigen Modulgehäuses aus wärmeleitendem Material einragt und dessen Trägerplatte mit dem Rand des Modulgehäuses gasdicht verbindbar ist, das an seiner ι ο Außenseite mit Kühlrippen oder einer anderen die Wärme" abführenden Einrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes zu kühlende Bauteil (10, 46, 64) im Hohlraum des Modulgehäuses (16, 48, 62) ein stiftförmiges ι-: elastisches Leitelement (26, 44, 72) aus gut wärmeleitfähigem Material vorgesehen ist, dessen vorderes Ende unter der Einwirkung einer geringen Druckkraft die Oberfläche des zu kühlenden Bauteiles (10, 46, 64) berührt und daß der restliche Hohlraum mit einem gut wärmeleitenden inerten Gas (32,77) gefüllt ist

2. Kühlungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kappenförmige aus Metall bestehende Modulgehäuse (16, 48, 62) in bezug zu 2; dessen Seitenwänden (18) eine relativ dicke Bodenplatte aufweist, die an den Stellen, die einem zu kühlenden Bauteil (10, 46, 64) gegenüberliegen, jeweils ein Sackloch (20, 52, 68) enthält, in dessen Grund ein den Berührungsdruck erzeugendes to Federglied (24, 70, 76) und mit diesem in Reihe gekoppelt das in axialer Richtung verschiebbare stiftförmige Wärme-Leitelement (26, 44, 72) eingesetzt ist und daß das Wärme-Leitelement (26,44,72) an seinem freien Ende und auch in seinem restlichen v> Querschnitt eine Fläche aufweist, die wenigstens der zugänglichen Oberfläche des zu kühlenden Bauteils (10,46,64) entspricht.

J. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulgehäuse (62) an den Stellen, die einem zu kühlenden Bauteil (64) gegenüberliegen, jeweils eine Nabe (66) mit einem Sackloch (68) aufweist, in daß das Druck-Federglied (70) und das stiftförmige Leitelement (72) eingesetzt sind (F i g. 6). r>

4. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte des Modulgehäuses (16) auf der Seite, die zu den zu kühlenden Bauteilen (10) gerichtet ist, eine schlangenförmig verlaufende Nut (22) aufweist, deren ~>n Breite kleiner ist als der Durchmesser der Sacklöcher (20) und deren Tiefe sich bis zum Grund der Sacklöcher (20) erstreckt und die die Sacklöcher (20) zeilen- oder spaltenweise miteinander verbindet und daß in diese Nut (22) als Federglied (24) ein v, elastischer mit einem Ausdehnungsmittel gefüllter Schlauch eingebettet ist, dessen Durchmesser sich durch das expandierende Ausdehnungsniittel bei steigender Temperatur erweitert (Fig. 1,2,4,5).

5. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis wi

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme-Leitelemente (26,72) jeweils einen zylindrischen Grundkörper aufweisen, der an zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit zwei sich in axialer Richtung erstreckenden angeformten Leisten (36) versehen ist, deren Breite kleiner als die der Nuten (22) ist, und daß diese Leisten (J6) in die Nuten (22) verschiebbar eingesetzt sind.

6. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1,2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme-Leitelemente (26,44,72) aus Kupfer oder Aluminium bestehen.

7. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druck-Federglied (24, 70, 76) entweder eine schraubenförmige Druckfeder, ein linsen- oder pillenförmiger Gummi-Hohlkörper oder eine wärmebeständige Schaumstoffschicht ist

8. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Druck-Federglied (24, 70) dienender Schlauch oder der Gummi-Hohlkörper mit einem binären Flüssigkeitsgemisch gefüllt ist, das Fluorkohlenstoff enthält

9. Kühlungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hohlraumfüllung ein Gas (32, 77) mit einem niedrigen Molekulargewicht vorzugsweise Helium oder Wasserstoff oder Kohlendioxid vorgesehen ist.

10. Kühlungsmodul nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (32, 77) im Hohlraum des Modulgehäuses (16, 48, 62) in bezug zur Raumatmosphäre einen geringen Überdruck aufweist.

11. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1,9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhaltung der Gasfüllung (32, 77) und des Überdruckes im Hohlraum in diesem eine mit Druckgas gefüllte Kapsel als Gasreserve enthalten ist, welche eine definierte Leckstelle aufweist.

12. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die als Bodenplatte dienende Kühlplatte des Modulgehäuses (16) auf der Außenseite mit Kühlrippen versehen ist(Fig. 2).

13. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die plane Bodenplatte als Kühlplatte des Modulgehäuses (16) ein Bestandteil oder der Träger einer Kanäle aufweisenden von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel (54) durchströmten Kühleinrichtung (58) ist (F ig. 1 und 8).

14. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende elektrische Bauteil (10, 46, 64) ein in integrierter Mikrotechnik gefertigtes und auf einer Keramikscheibe (12) angeordnetes Schaltungsplättchen aus Halbleitermaterial ist, auf dessen ebener Oberseite das Wärme-Leitelement (26, 44, 72) mit geringen Berührungsdruck aufliegt.

15. Kühlungsmodul nach einem der Ansprüche I bis 4, 7, 8 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das sich im Modulgehäuse (16, 48, 62) abstützende Druck-Federglied (24,70) so ausgelegt ist, daß es bei steigender Temperatur im Hohlraum des Modulgehäuses (16, 62) das Wärme-Leitelement (26, 72) kräftiger gegen das elektrische Bauteil (10, 46, 64) drückt.